Proteção de fusíveis de transformador do tipo caixa americana
Introdução aos Fusíveis de Transformadores Americanos em Caixa
Os transformadores americanos em caixa geralmente usam uma combinação de fusíveis plug-in e fusíveis de proteção de backup em série para fornecer proteção. O princípio de proteção é avançado e confiável, e a operação é simples. O fusível de proteção de backup é um fusível limitador de corrente imerso em óleo, normalmente instalado dentro do transformador em caixa. Ele só será acionado quando ocorrer uma falha interna no transformador em caixa e é usado para proteger a linha de alta tensão. O fusível plug-in é um fusível plug-in imerso em óleo, que irá derreter quando ocorrer uma falha de curto-circuito na parte secundária, ou quando houver sobrecarga ou a temperatura do óleo for muito alta. O fusível plug-in é um acessório principal para a proteção contra correntes excessivas em transformadores em caixa imersos em óleo no sistema de distribuição de energia.
Os fusíveis internos podem ser classificados em três tipos: tipo corrente, tipo dupla-sensibilidade e tipo duplo-fator. O fusível pode ser retirado para substituição sem desligar o transformador em caixa. O fusível de corrente, quando conectado em série com o fusível de proteção de backup, forma uma "proteção dupla por fusíveis". O fusível de corrente é usado para proteção contra sobrecargas, e o fusível de proteção de backup é usado para proteger contra falhas internas do transformador (como curtos-circuitos nas bobinas, etc.). O fusível de dupla-sensibilidade, quando conectado em série com o fusível de proteção de backup, também forma uma "proteção dupla por fusíveis". O fusível de dupla-sensibilidade protege contra falhas ou sobrecargas na parte de baixa tensão do transformador tanto em termos de corrente quanto de temperatura.
O fusível de proteção de backup é usado para proteger contra falhas internas do transformador (como falhas de curto-circuito nas bobinas, etc.). A curva padrão ampère-segundo pode se ajustar com precisão aos fusíveis e disjuntores de níveis superiores e inferiores. O fusível de duplo-fator, quando conectado em série com o fusível de proteção de backup, constitui uma "proteção dupla por fusíveis". O fusível de duplo-fator protege contra falhas ou sobrecargas na parte de baixa tensão do transformador tanto em termos de corrente quanto de temperatura. O fusível de proteção de backup é usado para proteger contra falhas internas do transformador (como falhas de curto-circuito nas bobinas, etc.), e sua curva padrão ampère-segundo pode se ajustar com precisão aos fusíveis e disjuntores de níveis superiores e inferiores.
Estrutura Básica dos Fusíveis
Os fusíveis têm diferentes estruturas de acordo com as funções que desempenham. Este artigo apresenta brevemente o fusível limitador de corrente do tipo NX da McGraw Edison, da empresa COOPER (Cooper) nos Estados Unidos.
A estrutura do fusível limitador de corrente do tipo NX da McGraw Edison é mostrada na Figura 1. Contém um elemento fusível com uma tira de fusível de prata pura. A tira de fusível de prata pura é enrolada em um suporte de mica (componente de suporte tipo aranha), e este suporte pode gerar gás ionizado que ajuda a abrir o circuito. O fusível e a areia de sílica são instalados em um tubo de isolamento de fibra de vidro.
1 - Preenchimento de areia de sílica de alta pureza; 2 - Suporte de mica; 3 - Terminal de cobre sólido; 4 - Sistema de vedação dupla; 5 - Etiqueta de identificação; 6 - Cobertura de fibra de vidro; 7 - Tira de fusível de prata pura.
Figura 1. Elementos básicos constituintes do fusível limitador de corrente do tipo NX da McGraw Edison.
Como mostrado na Figura 1, o fusível limitador de corrente do tipo NX da McGraw Edison (outros modelos de fusíveis têm estruturas semelhantes a este fusível) inclui principalmente:
Preenchimento de areia de sílica de alta pureza. O tamanho de partícula específico, a pureza e a densidade fornecem características de absorção de calor e extinção de arco, essenciais para o fusível manter características de limpeza consistentes e um nível de energia passante baixo.
Suporte de mica. Durante a operação do fusível, o suporte de mica fornece suporte de enrolamento estável sem gerar gás e acumulação de pressão.
Terminal de cobre sólido. O pino de latão é selecionado para fornecer uma junção condutora elétrica com comprimento variando de 0,25 a 10 polegadas.
Sistema de vedação dupla. O anel de vedação de borracha nitrílica e o selante de resina epóxi podem garantir a integridade da vedação do fusível.
Etiqueta de identificação firme. É conveniente para os usuários obterem informações sobre tensão, corrente, números de pedido, entre outros.
Cobertura de fibra de vidro. Fornece alta resistência ao fusível e a integridade da manutenção, permitindo que o fusível suporte uma faixa de proteção do menor corrente de fusão até um máximo de 50 kA durante qualquer processo de interrupção.
Tira de fusível de prata pura. Pode manter estabilidade sob condições de circulação de corrente e pressão térmica e fornecer características de fusão consistentes. Durante a interrupção de grandes correntes, a tira de fusível pode controlar e reduzir efetivamente o nível de pico da tensão do arco. Durante o processo de interrupção, este componente pode controlar e limitar efetivamente a corrente e a energia permitidas.
Características Operacionais e Princípio de Proteção do Fusível
O processo de funcionamento do fusível depende do modelo do elemento fusível dentro dele. Para todos os fusíveis, a limpeza de grandes correntes de falha é basicamente a mesma. A circulação de corrente derreterá o elemento fusível ao longo de todo o seu comprimento, e o arco gerado fará com que o elemento fusível exploda, vitrificando a areia de sílica e formando um canal vítreo que restringe o desenvolvimento do arco. Este canal vítreo restringe o arco aumentando o valor de resistência, reduzindo a corrente e forçando-a a atingir zero antecipadamente.
No fusível local ou de faixa total, a limpeza de correntes médias ou pequenas deve ser evitada. Por exemplo, no fusível limitador de corrente do tipo McGraw Edison, um ponto "M" (ou seja, um fio de liga de estanho) é colocado no centro do elemento fusível principal para diminuir sua temperatura de fusão, conforme mostrado na Figura 2(a). Assim que o elemento fusível derrete no ponto M, a corrente é transferida para o elemento fusível auxiliar. Um fio fino está conectado ao elemento fusível principal com um intervalo de 1/4 a partir de uma das extremidades do elemento principal. Um gradiente de tensão abrange o arco no ponto M e o intervalo do elemento fusível auxiliar, conforme mostrado na Figura 2(b). Portanto, se o elemento fusível principal continuar a arcar, esta conexão de fio inevitavelmente aparecerá em três posições, expandindo o comprimento do arco três vezes e usando essa área para dissipar a energia do circuito, conforme mostrado na Figura 2(c). No estágio inicial do arco, calor suficiente é coletado para decompor a estrutura de aranha naquela área, e o gás soprado pela estrutura de aranha pode resfriar a rocha fundida e reduzir o comprimento do arco até que o ponto de falha possa ser desconectado.
Figura 2 Processo de redução da corrente pelo fusível limitador de corrente do tipo NX da McGraw Edison
A seleção de fusíveis limitadores de corrente baseia-se principalmente em seus parâmetros de tensão nominal. Ao determinar os parâmetros adequados, vários fatores devem ser levados em conta, incluindo o tipo de sistema elétrico, a tensão máxima do sistema, as condições de enrolamento do transformador (se o fusível for usado para proteção do transformador), o estado de aterramento do fio neutro e o tipo de carga.
Geralmente, um circuito monofásico pode ser protegido por um fusível limitador de corrente com parâmetros nominais maiores que a tensão de aterramento monofásica. No entanto, para um circuito trifásico, o fusível deve ter parâmetros interfasiais adequados. Em casos específicos, assumindo que a tensão de ruptura positiva aplicada ao fusível não exceda a tensão de projeto máxima, os parâmetros de aterramento monofásico podem ser aplicáveis ao sistema trifásico. Nessas circunstâncias, assume-se que dois fusíveis limitadores de corrente em série compartilharão a tensão aplicada na condição de falha dada. A Tabela 1 ilustra a relação entre os parâmetros de tensão nominal recomendados e os parâmetros de aplicação dos fusíveis limitadores de corrente.
Para a proteção de dispositivos elétricos, os requisitos de ruptura dos fusíveis limitadores de corrente devem ser coordenados com os dispositivos que eles protegem. Além disso, as curvas tempo-corrente dos fusíveis também devem ser coordenadas com os dispositivos de proteção no sistema, especialmente quando envolvem fusíveis de backup e a limpeza de falhas de correntes baixas depende de um fusível expulsor.
Tabela 1 Parâmetros de Tensão Nominal Recomendados para Fusíveis Limitadores de Corrente e Parâmetros de Aplicação para Fusíveis Limitadores de Corrente
Assim como os fusíveis comuns, os fusíveis limitadores de corrente também podem experimentar uma redução de potência em uma certa temperatura ambiente. Os fatores de derating para várias situações de aplicação são mostrados na Figura 3.
Figura 3 Fatores de Derating de Temperatura Ambiente para Aplicações de Fusíveis Limitadores de Corrente do Tipo NX
A chave para a aplicação de proteção por fusível em transformadores de distribuição é que o fusível deve atender aos seguintes requisitos:
Fornecer proteção contra curto-circuito e separar o transformador defeituoso do sistema primeiro. O fusível não deve derreter durante a corrente de inrush, corrente de partida de carga fria e corrente excessiva de curta duração. Deve cooperar com o dispositivo de nível superior (derreter antes que o seccionador opere).
Prevenir situações de corrente excessiva grave que possam causar danos por superaquecimento ou danos mecânicos ao transformador. Deve-se notar que, se necessário, o item ② pode ser adiado, pois o objetivo principal da proteção por fusível é a proteção contra sobrecarga, e não a proteção contra curto-circuito.
A curva tempo-corrente da corrente de inrush/corrente de partida de carga fria do transformador de distribuição é estimada com base nas seguintes situações: em 0,01 s, a corrente é 25 vezes a corrente de carga total; em 0,1 s, a corrente é 12 vezes a corrente de carga total; em 1 s, a corrente é 6 vezes a corrente de carga total; em 10 s, a corrente é 3 vezes a corrente de carga total; e em 100 s, a corrente é 2 vezes a corrente de carga total.
Para garantir que o fusível usado para a proteção do transformador de distribuição não derreta durante a corrente de inrush ou a corrente de partida de carga fria, a curva do fusível deve estar à direita da curva de corrente de inrush/corrente de partida de carga fria. Isso significa que o tempo de derretimento do fusível deve ser maior que a duração dessas correntes.
A curva de danos do transformador pode ser obtida do fabricante ou do padrão ANSIC57 e pode ser plotada no mesmo gráfico de curvas. Como mencionado anteriormente, se concessões precisarem ser feitas, a curva de danos do transformador deve ser priorizada em relação à curva de inrush.
A Figura 4 mostra a curva de corrente de inrush/corrente de partida de carga fria de um transformador monofásico com nível de tensão de 13,8 kV e capacidade nominal de 50 kV·A. A corrente de carga total do transformador é 3,62 A. Uma curva de fusível é assumida na figura. Na verdade, existem duas curvas de fusível. A curva de fusão mínima fornece o tempo mais curto para o fusível se danificar, e a curva de limpeza máxima fornece o tempo mais longo para o fusível limpar a falha. O tempo máximo de limpeza do fusível expulsor nunca deve ser inferior a 0,8 ciclos (ou seja, 0,0133 s), portanto, esta curva é traçada horizontalmente em 0,0133 s.
A Figura 4 mostra a curva de tempo-corrente da corrente de inrush/corrente de partida de carga fria do transformador de distribuição. Deve-se notar que a curva do fusível deve garantir a coordenação entre o fusível e o dispositivo de proteção de nível superior. O dispositivo de nível superior pode ser um dispositivo de seccionamento de linha, como um fusível ou um recloser. O fusível de proteção do transformador deve derreter antes que o fusível de nível superior seja danificado ou antes que o recloser de nível superior seja bloqueado.
Alguns transformadores de distribuição são considerados ter uma função completa de autoproteção (CSP), ou seja, têm as funções de proteção contra corrente excessiva e corrente de inrush.
Transformadores de autoproteção geralmente têm um grande fusível limitador de corrente e um disjuntor secundário para prevenção de sobrecarga em suas carcaças. Transformadores comuns geralmente são protegidos por um fusível adicionado ao lado primário. Transformadores em caixa geralmente têm um fusível independente da carcaça (design de painel frontal não fixo), localizado no óleo do transformador ou em um poço de bucha seca ou cilindro (design de painel frontal fixo). Em qualquer caso, o design apropriado deve ser adotado para simplificar a substituição do fusível no local.
A razão de fusível é a razão entre a corrente de fusão mínima do fusível e a corrente de carga total do transformador. Esta razão indica a importância da proteção contra sobrecarga para a operação contínua do dispositivo. Uma alta razão de fusível permite mais falhas no transformador sem derreter durante a corrente de inrush ou sobrecarga; uma baixa razão de fusível aumenta o número de derretimentos, e alguns derretimentos podem ser desnecessários, mas pode proteger melhor o transformador de sobrecarga. Uma razão de fusível típica varia de 2 a 4.
Em um transformador de autoproteção, a razão de fusível do fusível interno é aproximadamente 8, porque o lado secundário do transformador de autoproteção está equipado com um disjuntor que não é afetado por sobrecarga.
Faixa de Proteção e Coordenação da Proteção por Fusível
Ao selecionar um fusível para a proteção de um transformador em caixa, geralmente, a taxa de fusão pode ser calculada dividindo a corrente de carga total do transformador pela corrente de fusão mínima do fusível. Usar uma taxa de fusão alta pode proteger o sistema de transformadores defeituosos, mas apenas fornece proteção limitada contra sobrecarga; uma taxa de fusão baixa pode fornecer proteção máxima contra sobrecarga, mas o fusível é vulnerável a correntes de impacto e correntes de inrush.
Além disso, fatores abrangentes devem ser considerados, incluindo a continuidade da operação, falhas do transformador causadas por sobrecarga, a coordenação entre o fusível do transformador e o dispositivo de seccionamento, e o impacto da corrente de inrush e da partida de carga fria. Se a curva característica do transformador for conhecida, o fusível pode ser simplesmente ajustado fazendo com que a curva de características de tempo do fusível caia na área entre a curva de inrush do transformador e a curva de danos do transformador.
Essas curvas são formuladas de acordo com padrões, mas nem sempre são aplicáveis, então o fusível precisa ser selecionado. A corrente de inrush depende em grande parte do fluxo magnético residual no núcleo de ferro da onda de tensão durante o fechamento. Para suportar a corrente de inrush, o fusível deve ser capaz de suportar 25 vezes a corrente de carga total em 0,01 s e 12 vezes a corrente de carga total em 0,1 s. A reenergização após uma falta de energia primária gerará uma partida de carga fria. Quando a curva de inrush for conhecida, a curva de fusível selecionada deve ser mais lenta que a curva de inrush. A tensão de descarga de raio pode saturar o núcleo do transformador e gerar corrente de inrush. Geralmente, se o dano por raio for um problema, é melhor usar um fusível de maior tamanho.
Além disso, ao selecionar um fusível para a proteção de um transformador em caixa, a coordenação entre os fusíveis também deve ser considerada. Aqui, discute-se os problemas de coordenação em duas situações:
Coordenação entre dois fusíveis limitadores de corrente. Para alcançar o objetivo de coordenação, a curva deve começar em 0,01 s. Para tempos acima de 0,01 s, a coordenação entre dois fusíveis diferentes no mesmo conjunto pode ser alcançada simplesmente sobrepondo as TCCS e usando o método de coordenação de 75%; para tempos abaixo de 0,01 s, a coordenação pode ser alcançada usando os valores de fusão mínima e limpeza total. Quando dois fusíveis limitadores de corrente são coordenados em série, a corrente máxima passando pelo fusível de proteção ou pelo fusível do lado da carga não deve exceder a corrente de fusão mínima do fusível protegido ou do lado da fonte. Ou seja, o fusível do lado da carga limitará a corrente passante a um nível que não seja suficiente para fundir o fusível do lado da fonte. A verificação de coordenação acima de 0,01 s não é necessária, pois os limites de coordenação têm valores fixos. A coordenação é conservadora e forma um padrão de coordenação para qualquer corrente de falha. Se a corrente de falha for limitada, a coordenação pode ser alcançada alterando a corrente na curva.
Coordenação entre o fusível limitador de corrente de backup e o fusível expulsor. Este método de proteção é frequentemente adotado porque permite que a maioria das falhas (com correntes pequenas) seja limpa por um fusível expulsor barato. Quando ocorre uma falha no dispositivo protegido, o fusível limitador de corrente limitará a magnitude da corrente. É muito importante que o fusível expulsor possa limpar falhas de corrente pequena sem danificar o fusível limitador de corrente. O fusível limitador de corrente pode passar corrente suficiente após o fusível expulsor ser derretido e pode fornecer indicação clara de falha. As características do fusível formarão a interseção da curva de limpeza máxima do fusível expulsor e a curva de fusão mínima do fusível limitador de corrente, resultando em uma corrente maior, o que levará a uma operação sincronizada. Se os dois fusíveis limitadores de corrente forem adequadamente selecionados, o transformador em caixa pode alcançar proteção completa.
Operação e Manutenção da Proteção por Fusível
Ao usar um fusível para a proteção de um transformador em caixa, as seguintes situações devem ser observadas:
O fusível plug-in é operado manualmente, e os usuários precisam de certas habilidades e experiência. Antes de usar o fusível plug-in para desconectar o transformador energizado, o operador deve ter experiência em remover o fusível plug-in do porta-fusíveis. A manipulação inadequada pode levar a falhas de comutação e pode exigir a substituição do transformador ou causar incêndios.
Se o fusível plug-in for usado para fechamento de falha, pode causar lesões pessoais graves. Falhas internas podem fazer com que o transformador rache ou a tampa superior se solte. Portanto, o transformador deve sempre ser alimentado de um local remoto para garantir a segurança.
(3) Se o transformador estiver localizado em um edifício fechado ou subsolo, ou se o operador estiver diretamente acima do transformador, o conjunto de fusível plug-in não deve ser usado para conectar ou desconectar o transformador. Nesses casos, é inconveniente para o operador operar corretamente, e é difícil sair com segurança em caso de operação inadequada.
Antes de operar o fusível plug-in, o status do transformador deve ser cuidadosamente avaliado. Verifique se há som de descarga de arco na carcaça; verifique se a carcaça está inchada ou há sinais de vazamento ou transbordamento de óleo; verifique se há sinais de vazamento, transbordamento ou manchas de fuligem de carbono na carcaça perto do dispositivo de alívio de pressão. Se as situações acima ocorrerem, o fusível plug-in não deve ser usado para conectar ou desconectar o transformador, caso contrário, pode levar a incêndios ou causar ferimentos ou mortes.
A pressão do transformador deve ser liberada antes de operar o fusível plug-in. A liberação incorreta da pressão da carcaça do transformador pode fazer com que o conjunto de inserção do fusível plug-in seja violentamente ejetado junto com o óleo quente. Isso pode causar ferimentos por impacto, queimaduras e poluição ambiental.
Usar um fusível plug-in com valor de amperagem excessivamente alto pode levar a uma incompatibilidade com o fusível limitador de corrente de backup no transformador ou em outras partes do sistema. Nesse caso, quando ocorrer uma falha interna no transformador, pode causar um corte de energia maior ou levar à ignição ou explosão do transformador. Instalar um fusível plug-in com valor de amperagem menor que o recomendado causará fusões desnecessárias e interrupções na operação.
Dano ao tubo de fusível afetará a instalação correta do fusível. Verifique cuidadosamente o tubo de fusível para garantir que não haja corrosão maior que picotamentos em qualquer parte do latão, e que o escurecimento ou ablação dos componentes isolantes não seja maior que 1/2 in (13 mm). Se o dano ultrapassar esse grau, o tubo de fusível danificado deve ser substituído por um novo. Se ocorrer grande derretimento de latão, ou a ablação se estender além da metade do comprimento do tubo de fusível, o porta-fusíveis plug-in também deve ser substituído. Se o componente estiver danificado, pode impedir a desconexão de falhas subsequentes e causar danos maiores.
Conclusão
O nível técnico da proteção por fusível é relativamente avançado, e tem um excelente custo-benefício, com amplas perspectivas de desenvolvimento nos mercados doméstico e internacional. Atualmente, uma grande quantidade de transformadores em caixa americanos na China usa fusíveis para proteção. Comparado com outros métodos de proteção, a proteção por fusível não só tem alta confiabilidade, mas também um preço relativamente baixo, o que é particularmente adequado para a situação atual na China. Portanto, a proteção por fusível tem boas perspectivas de aplicação na China.
